ДИЗАЙН ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО МЕМБРАННОГО РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

В работе представлены данные по разработке каталитических материалов с улучшенными характеристиками для каталитическо го мембранного реактора (КМР) авто термического риформинга метана (АТР СH4), полученные в рамках международного проекта DEMCAMER (ДИПКАМЕР) – Дизайн и производство каталитических мембранных реакторов путем разработки новых наноструктурированных каталитических и селективных мембранных материалов. Синтезированы Ni и Ni-Me (Me = Pt, Pd, Re, Mo, Sn) катализаторы на основе различных носителей (La2O3, Ce1-xZrxOy, Ce1-xGdxOy, CeZrO2/Al2O3, La2O3-CeZrO2/Al2O3) и исследована их активность в реакции АТР СH4. Показана возможность целенаправленного регулирования состава Ni-содержащей фазы (NiO, La-Ni-O, Al-Ni-O), среднего размер частиц NiO (6 ÷ 50 нм) и окислительно -восстановительных свойств ионов никеля пу тем варьирования состава носителя. Определены оптимальный состав катализатора 10Ni0,5Pd/10CeZrO2/Al2O3, метод его приго товления и условия реакции, обеспечивающие при 850 ºС выход водорода ~60 % и стабильную работу в условиях реакции АТР СH4, что указывает на перспективность его использования для рациональной переработки метана в водородсодержащий газ.

1. Кузык Б .Н., Я ковец Ю .В. Россия: стратегия перехо да к водородной энергетике. Москва, Институт экономических стратегий, 2007.

2. World Energy Technology Outlook-2050 - WETO H2. EC Luxemburg, 2007.

3. Столяревский А.Я. Произво дство альтернативно го топлива на основе ядерных энергоисточников // Рос. хим. ж. 2008. T. LII, № 6. C. 73–77.

4. Stankiewicz A., Moulijn J. A. Process intensification: transforming chemical engineering // Chem. Eng. Prog. 2000. Vol. 96. P. 22–34.

5. Ponce-Ortega J.M., Al-Thubaiti M.A., El-Halwagi M. M. Process intensification: New understanding and systematic approach // Chem. Eng. Process. 2012. Vol. 53. P. 63–75.

6. Moulijn J.A., Stankiewicz A., Grievink J., Gorak A. Process intensification and process systems engineering: A friendly symbiosis // Comput. Chem. Eng. 2008. Vol. 32. P. 3–11.

7. Lutze P., Gani R, Woodley J. M. Process intensification: A perspective on process synthesis // Chem. Eng. Process. 2019. Vol. 49. P. 547–558.

8. Baldea М. From process integration to process intensification // Comput. Chem. Eng. 2005. Vol. 81. P. 104–114.

9. Саркисов П.Д. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии // Хим. пром-сть. 2000. T. 1. C. 20–27.

10. Drioli E., Stankiewicz A.I., Macedonio F. Membrane engineering in process intensification - An overview // J. Membr. Sci. 2011. Vol. 380. P. 1–8.

11. Sirkar K.K., Fane A.G., Wang R., Wickramasinghe S.R. Process intensification with selected membrane processes // Chem. Eng. Process. 2015. Vol. 87. P. 16–25.

12. Liu P.K.T., Sahimi M., Tsotsis T.T. Process intensification in hydrogen production from coal and biomass via the use of membrane-based reactive separations // Curr. Opin. Chem. Eng. 2012. Vol. 1. P. 342–351.

13. Кислов В.Р., Крыжановский А. С., Скудин В.В. Сравнение мембранных каталитических реакторов с обычным реактором на примере сухой конверсии метана // Успехи химии и химической технологии. 2013. T. XVII, №4. С. 73–77.

14. Dalmon J.-A., Cru z-Lopez A., Farrusseng D., Guilhaume N., Iojoiu E., Jalibert J.-C., Miachon S., Mirodatos C., Pantazidis A., Rebeilleau-Dassonneville M., Schuurman Y., Veen A.C. Oxidation in catalytic membrane reactors // Appl. Catal. A. 2007. Vol. 325. P. 198–204.

15. Бу харкина Т.В., Гаврилова Н.Н., Скудин В.В. Мембранный каталитический реактор. Режимы работы, кинетический эксперимент // Катализ в промышленности. 2015. T. 15, № 4. С. 14–21.

16. Lukyanov B.N., Andreev D.V., Parmon V.N. Catalytic reactors with hydrogen membrane separation // Chem. Eng. J. 2009. Vol. 154. P. 258–266.

17. Membrane Reactor Technology (MRT). Электронный ресурс: www.membranereactor.com

18. Demcamer – Catalytic Membrane Reactors. Электронный ресурс: www.demcamer.org

19. Ismagilov I.Z., Matus E.V., Kuznetsov V.V., Mota N., Navarro R.M., Kerzhentsev M.A., Ismagilov Z.R., Fierro J.L.G. Nanoscale control during synthesis of Me/La2O3, Me/CexGd1−xOy and Me/CexZr1−xOy (Me =Ni, Pt, Pd, Rh) catalysts for autothermal reforming of methane// Catal. Today. 2013. Vol. 210. P. 10–18.

20. Kaneko H., Taku S., Tamaura Y. Reduction reactivity of CeO2-ZrO2 oxide under high O2 partial pressure in two-step water splitting processor // Solar Energy. 2011. Vol. 85. P. 2321–2330.

21. Ismagilov I.Z., Matus E.V., Kuznetsov V.V., Kerzhentsev M.A., Yashnik S. A., Prosvirin I.P., Mota N., Navarro R.M., Fierro J.L.G., Ismagilov Z.R. Hydrogen production by autothermal reforming of methane over NiPd catalysts: Effect of support composition and preparation mode // IJHE. 2014. Vol. 39. P. 20992– 21006.

22. Исмагилов И.З., Матус Е.В., Нефедова Д.В., Кузнецов В.В., Яшник С.А., Керженцев М.А., Исмагилов З. Р. Влияние модифицирования носителя на физико-химические свойства NiPd/Al2O3- катализатора aвто термического риформинга метана // Кинетика и катализ. 2015. Т. 56, № 3. С. 397–406.

23. Ismagilov I.Z., Matus E.V., Kuznetsov V.V., Mota N., Navarro R.M., Yashnik S.A., Prosvirin I.P., Kerzhentsev M.A., Ismagilov Z.R., Fierro J.L.G. Hydrogen production by autothermal reforming of methane: Effect of promoters (Pt, Pd, Re, Mo, Sn) on the performance of Ni/La2O3 catalysts // Appl. Catal. A. 2014. Vol. 481. P. 104–115.

24. Montoya J.A., Romero-Pascual E., Gimon C., Del Angel P., Monzón A. Methane reforming with CO2 over Ni/ZrO2-CeO2 catalysts prepared by sol–gel // Catal. Today. 2000. Vol. 63. P. 71–85.

25. Pengpanich S., Meeyoo V., Rirksomboon T. Methane partial oxidation over Ni/CeO2– ZrO2 mixed oxide solid solution catalysts // Catal. Today. 2004. Vol. 93–95. P. 95–105.

26. Escritori J.C., Dantas S.C., Soares R.R., Hori C.E. Methane autothermal reforming on nickele ceriazirconia based catalysts // Catal. Commun. 2009. Vol. 10. P. 1090–1094.

27. Takeguchi T., Furukawa S.N., Inoue M., Eguchi K. Autothermal reforming of methane over Ni catalysts supported over CaO–CeO2–ZrO2 solid solution // Appl. Catal. A. 2003. Vol. 240. P. 223–233.

28. Li D., Nakagaw Y., Tomishige K. Methane reforming to synthesis gas over Ni catalysts modified with noble metals // Appl. Catal. A. 2011. Vol. 1–2. P. 1–24.

29. Dias J.A.C., Assaf J.M. Autothermal reforming of methane over Ni/γ-Al2O3 promoted with Pd: The effect of the Pd source in activity, temperature profile of reactor and in ignition // Appl. Catal. A. 2008. Vol. 334. P. 243–250.

30. Profeti L.P.P., Ticianelli E.A., Assaf E.M. Production of hydrogen via steam reforming of biofuels on Ni/CeO2-Al2O3 catalysts promoted by noble metals // IJHE. 2009. Vol. 34. P. 5049–5060.

31. Roh H.S., Jun K.W., Park S.E. Methanereforming reactions over Ni/Ce-ZrO2/θ-Al2O3 catalysts // Appl. Catal. A. 2003. Vol. 251. P. 275–283.

32. Profeti L.P.P., Dias J.A.C., Assaf J.M., Assaf E.M. Hydrogen production by steam reforming of ethanol over Ni-based catalysts promoted with noble metals // J. Power Sources. 2009. Vol. 190. P. 525–533.

33. Abreu A.J., Lucredio A.F., Assaf E.M. Ni catalyst on mixed support of CeO2-ZrO2 and Al2O3: Effect of composition of CeO2-ZrO2 solid solution on the methane steam reforming reaction // Fuel Process. Technol.2012. Vol. 102. P. 140–145.

34. Tsipouriari V.A., Verykios X.E. Kinetic study of the catalytic reforming of methane with carbon dioxide to synthesis gas over Ni/La2O3 catalyst // Catal. Today. 2001. Vol. 64. P. 83– 90.

35. Santos D.C.R.M., Madeira L., Passos F.B. The effect of the addition of Y2O3 to Ni/α- Al2O3 catalysts on the autothermal reforming of methane // Catal. Today. 2010. V. 149. P. 401–406.

36. Dantas S.C., Escritori J.C., Soares R.R., Hori C.E. Effect of different promoters on Ni/CeZrO2 catalyst for autothermal reforming and partial oxidation of methane // Chem. Eng. J. 2010. Vol. 156, № 2. P. 380–387.

37. Yoshida K., Begum N., Ito S.-I., Tomishige K. Oxidative steam reforming of methane over Ni/a-Al2O3 modified with trace noble metals // Appl. Catal. A. 2009. Vol. 358. P. 186–192.

38. Pengpanich S., Meeyoo V., Rirksomboon T., Schwank J. iso-Octane partial oxidation over Ni- Sn/Ce0.75Zr0.25O2 catalysts // Catal. Today. 2008. Vol. 136. P. 214–221.

39. Hou Z., Yokota O., Tanaka T., Yashima T. Surface properties of a coke-free Sn doped nickel catalyst for the CO2 reforming of methane // Appl. Surf. Sci. 2004. Vol. 233. P. 58–68.

40. Zhou L., Guo Y., Chen J., Sakurai M., Kameyama H. Trace precious metal Pt doped plate- type anodic alumina Ni catalysts for methane reforming reaction // Fuel. 2012. Vol. 92. P. 373–376.

41. Requies J., Cabrero M.A., Barrio V.L., Güemez M.B., Cambra J.F., Arias P.L., Pérez-Alonso F J., Ojeda M., Pena M.A., Fierro J.L.G. Partial o xidation of methane to syngas over Ni/MgO and Ni/La2O3 catalysts // Appl. Catal. A. 2005. Vol. 289. P. 214–223.

42. Rida K., Pena M.A., Sastre E., Martinez-Arias A. Effect of calcination temperature on structural properties and catalytic activity in oxidation reactions of LaNiO3 perovskite prepared by Pechini method // J. Rare Earths. 2012. Vol. 30. P. 210–216.

43. Wang Y., Zhu J., Yang X., Lu L., Wang X. Preparation and characterization of LaNiO3 nanocrystals // Mater. Res. Bull. 2006. Vol. 41. P. 1565–1570.

44. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta. Crystallogr. A. 1976. Vol. 32. P. 751–767.

45. Silva C.R.B., Conceicão L., Ribeiro N.F.P., Souza M.M.V.M. Partial oxidation of methane over Ni– Co perovskite catalysts // Catal. Commun. 2011. Vol. 12. P. 665–668.

46. Liu X., Cheng B., Hu J., Qin H., Jiang M. Partial oxidation of methane over Ni–Co perovskite catalysts // Sens. Actuators. B. 2008. Vol. 129. P. 53–58.

47. Provendier H., Petit C., Estournès C., Libs S., Kiennemann A. Stabilisation of active nickel catalysts in partial oxidation of methane to synthesis gas by iron addition // Appl. Catal. A. 1999. Vol. 180. P.163–173.

48. Dissanayake D., RosynekM. P., Kharas K.C.C., Lunsford J.H. Partial oxidation of methane to carbon monoxide and hydrogen over a Ni/Al2O3 catalyst // J. Catal. 1991. Vol. 132. P. 117–127.

49. Yoshida К., Okumura К., Miyao Т., Naito S., Ito S., Kunimori K., Tomishige K. Oxidative steam reforming of methane over Ni/α-Al2O3 modified with trace Pd // Appl. Catal. A. 2008. Vol. 351. P. 217–225.

50. Christensen K.O., Chen D., Lødeng R., Holmen A. Effect of supports and Ni crystal size on carbon for mation and sintering during steam methane reforming // Appl. Catal. 2006. Vol. 314. P. 9–22.

51. Mukainakano Y., Yoshida K., Okumura K., Kunimori K., Tomishige K. Catalytic performance and QXAFS analysis of Ni catalysts modified with Pd for oxidative steam reforming of methane // Catal. Today. 2008. Vol. 132. P. 101–108.